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Engineering

Geração e controle coerente de pentes de frequência pulsada Quantum

Published: June 8, 2018 doi: 10.3791/57517
Automatic Translation
*1, *1, 1,2, 1, 1, 1, 1,3, 1,4, 3, 5, 6, 7, 8, 1, 1,9,10
1Institut National de la Recherche Scientifique - Centre Énergie, Matériaux et Télécommunications (INRS-EMT), 2School of Engineering, University of Glasgow, 3Department of Energy, Information Engineering and Mathematical Models, University of Palermo, 4School of Mathematical and Physical Sciences, University of Sussex, 5Department of Physics and Material Science, City University of Hong Kong, 6State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Science, 7Centre for Micro Photonics, Swinburne University of Technology, 8Institute of Photonics, Department of Physics, University of Strathclyde, 9Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China, 10National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics
* These authors contributed equally

Summary

Um protocolo é apresentado para a geração prática e coerente manipulação de Estados de fóton de frequência alta dimensão-bin enredada usando integradas microcavidades e componentes de telecomunicações padrão, respectivamente.

Abstract

Nós apresentamos um método para a geração e a manipulação coerente de pentes de frequência quântica pulsado. Até agora, métodos de preparação de alta dimensão Estados em-microplaqueta de forma prática permaneceu indescritíveis devido à complexidade crescente do circuito quântica necessário para preparar e processar esses Estados. Aqui, nós esboçamos como alta dimensão, frequência-bin enredada, dois fotões Estados podem ser gerados a um ritmo estável, alta geração usando uma excitação aninhados-cavidade, ativamente modo bloqueado de uma microcavidade não-linear. Essa técnica é usada para produzir pentes de frequência quântica pulsado. Além disso, apresentamos como os estados quânticos pode ser coerentemente manipulado usando componentes padrão de telecomunicações como filtros programáveis e moduladores eletro-óptica. Em especial, mostramos em detalhes como realizar medições de caracterização do estado como reconstrução de matriz de densidade, detecção de coincidência e determinação do espectro de fóton único. Os métodos apresentados formam uma base acessível, reconfigurável e escalável para protocolos de preparação e manipulação de estado elevado-dimensionais complexas no domínio da frequência.

Introduction

O controle de fenômenos quânticos abre a possibilidade de novas aplicações em campos tão diversos como seguro quântica comunicações1, informação quântica poderoso processamento2e quântica sensoriamento3. Enquanto uma variedade de plataformas físicas ativamente estão sendo pesquisados para as realizações de quântica tecnologias4, óticos estados quânticos são candidatos importantes, como eles podem apresentar vezes longo coerência e estabilidade do ruído externo, excelente Propriedades de transmissão, bem como compatibilidade com existente das telecomunicações e tecnologias de silício microplaqueta (CMOS).

No sentido de realizar plenamente o potencial de fótons para tecnologias quânticas, conteúdo de informações e a complexidade do estado pode ser aumentado com o uso de múltiplas partes emaranhadas e/ou alta-dimensionalidade. No entanto, a geração de em-microplaqueta desses Estados óptico não possui praticidade como configurações são complicadas, não perfeitamente escalável, e/ou usam componentes altamente especializados. Especificamente, requer alta dimensão caminho-emaranhamento Equation 01 fontes idênticas coerentemente-animado e elaborados circuitos de feixe-divisores5 (onde Equation 01 é a dimensionalidade do estado), enquanto que precisa de tempo-entrelaçamento complexo interferômetros multi braço6. Notavelmente, o domínio da frequência é adequado para a geração escalável e o controle dos Estados complexos, como mostrado pela sua recente exploração em quântica frequência pentes (QFC)7,8 usando uma combinação de óptica integrada e de infra-estruturas de telecomunicações9e fornece um quadro promissor para as tecnologias da informação quântica futura.

QFCs em-microplaqueta são gerados usando efeitos ópticos não lineares em microcavidades integradas. Usando tal um não-linear microressonador, dois fótons emaranhados (Note-se como sinal e tensor) são produzidos por espontânea quatro ondas de mistura, através da aniquilação de dois fótons de excitação - com o par resultante gerado em uma superposição da cavidade modos de frequência ressonante uniformemente espaçados (Figura 1). Se há coerência entre os modos de frequência individual, um estado de frequência-bin enredado é formado10, que é muitas vezes referida como um estado de modo bloqueado dois fótons11. Esta função de onda do estado pode ser descrita por,

Equation 02

Aqui, Equation 03 e Equation 04 são o tensor de frequência-monomodo e sinal de componentes, respectivamente, e Equation 05 é a amplitude de probabilidade para o Equation 06 par de modo de sinal-tensor - th.

Manifestações anteriores em-microplaqueta QFCs destacam sua versatilidade como plataformas de informação quântica viável e incluem pentes de fótons correlacionados12, fótons polarizados Cruz13,14,de fótons emaranhados15 , 16, multi fóton afirma15e frequência-bin enredada Estados9,17. Aqui, nós fornecemos uma descrição detalhada sobre a plataforma QFC e um protocolo para frequência alta dimensão-bin emaranhado controle e geração de ópticas do estado.

Aplicações futuras quântica, especialmente aqueles para ser interfaceado com eletrônica de alta velocidade (para o processamento de informações oportunas), exigem a geração de altas taxas de Estados de fótons de alta pureza em uma configuração compacta e estável. Nós usamos um esquema de cavidade ativamente modo bloqueado, aninhados para produzir QFCs dentro das Telecomunicações S, C e L bandas de frequência. Um anel de micro é incorporado uma cavidade mais ampla do laser pulsado, com ganho óptico (fornecido por um amplificador de fibra dopados com érbio, EDFA) filtrada para coincidir com a excitação de microanel de largura de banda18. Modo de bloqueio é realizado activamente através da modulação electro-óptica da cavidade perdas19. Isolador garante que a propagação do pulso segue uma única direção. O trem de pulso resultante tem ruído muito baixo raiz média quadrática (RMS) e exibe a repetência ajustáveis e poderes de pulso. Um filtro de entalhe elevado isolamento separa os fótons emitidos de QFC do campo de excitação. Estes fótons único então são guiados através de fibras de controle e de detecção.

Nosso esquema é um passo para uma alta taxa de geração, fonte QFC reduzido, como todos os componentes usados, potencialmente, podem ser integrados em um chip fotônico. Além disso, excitação pulsada é particularmente bem adaptada para aplicações de quântica. Primeiro, olhando para um par de microcavidade ressonâncias simétricas para a excitação, ele gera dois fotões Estados onde cada fóton é caracterizada por uma frequência única modalidade – central para linear óptica quântica computação20. Também, fótons vários Estados podem ser gerados, movendo-se para regimes de excitação maiores poder e selecionando múltiplos pares de sinal-tensor15. Em segundo lugar, como os fótons são emitidos em janelas de tempo conhecido correspondente a excitação pulsada, pós-processamento e retenção podem ser implementados para melhorar detecção do estado. Talvez mais significativamente, o nosso esquema suporta taxas de alta geração de fótons Estados usando o bloqueio de modo harmônico sem reduzir a relação de coincidência-para-acidental (carro) – que poderá abrir caminho para informação quântica de alta velocidade, multi-canal tecnologias.

Para demonstrar o impacto e a viabilidade do domínio de frequência, controle de Estados QFC deve ser realizado em maneiras de alvo, garantindo a coerência do estado e transformações altamente eficientes. Para satisfazer tais requisitos, usamos filtros programáveis em cascata e moduladores de fase – componentes estabelecidos na indústria de telecomunicações. Filtros programáveis podem ser usados para impor uma amplitude espectral arbitrária e as máscaras de fase os fótons única, com uma resolução suficiente para abordar cada modo de frequência individualmente; e moduladores de electro-óptica fase impulsionados por geradores de sinal de rádio-frequência (RF) facilitam a mistura dos componentes de frequência21.

O aspecto mais importante deste esquema de controle é que opera em todos os modos de quântica dos fótons simultaneamente em um único modo espacial, usando elementos de controle único. Aumentando a dimensionalidade do estado quântico não conduzirá a um aumento da complexidade da instalação, em contraste com esquemas de emaranhamento do caminho - ou tempo-bin. E também todos os componentes são reconfigurável externamente (ou seja, as operações podem ser alteradas sem que altera a configuração) e usar a infra-estrutura de telecomunicações existente. Assim, existentes e futuros desenvolvimentos no campo do processamento óptico ultra rápido podem ser transferidos diretamente para o controle evolutivo de estados quânticos no futuro.

Em resumo, a exploração do domínio de frequência por QFCs oferece suporte a geração de altas taxas de complexos estados quânticos e seu controle e, assim, é well-suited para o aproveitamento dos Estados complexos para as tecnologias de quântico prático e escalável.

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Protocol

1. a geração da frequência alta dimensão-bin enredada Estados via excitação pulsada

  1. Seguindo o esquema descrito na Figura 2 (estágio de geração), conecte cada componente usando polarização-mantendo as fibras ópticas (para melhor estabilidade ambiental).
  2. Conectar uma fonte de alimentação para o modulador de amplitude de electro-óptica e aplicar um DC offset de tensão, ajuste o valor de deslocamento até a potência óptica transmitida através dele é aproximadamente metade (medido usando um medidor de potência óptica), por exemplo., de tal forma que um pico valor de transmissão de 2 mW é reduzida para metade de 1 mW.
  3. Meça o comprimento aproximado de cavidade externa. Calcular o espaçamento de modo externo cavidade usando a relação,
    Equation 07
    onde Equation 08 é o modo de cavidade externa espaçamento, c é a velocidade da luz no vácuo, Equation 09 é o índice eficaz do meio de cavidade, e L é o comprimento da cavidade externa. Por exemplo, para uma cavidade de 20m compreendida de fibra com um índice de refração eficaz de 1,46, o espaçamento de modo aproximado cavidade seria 10,2 MHz.
  4. Ligue o EDFA iniciar lasing.
  5. Insira o fotodiodo rápido a instalação o acoplador de cavidade ou outras portas de anel. Conecte o sinal do fotodiodo para um osciloscópio para observar a intensidade do campo de excitação no domínio do tempo.
  6. Definir a resolução de tempo do osciloscópio de < 100 ps (através do botão de escala horizontal) a fim de resolver os pulsos ns-escala. Neste passo, sem o modulador ativado, a saída no osciloscópio mostrará operação pulso instável com uma qualidade baixa, trem de pulso de ruído elevado.
  7. Conecte um gerador de função para o modulador de amplitude de electro-óptica. Defina a frequência da saída do gerador de função para o espaçamento de modo (aproximado) cavidade externa encontrada acima (ou uma harmônica do mesmo). Este sinal executa o modo de bloqueio. Escolha uma forma de onda (Retangular) de pulso ou para modulação de amplitude da onda de seno. Liga o gerador de função.
  8. Sintonize a frequência de gerador de função RF e DC deslocamento para otimizar e estabilizar a forma do trem de pulso no osciloscópio. Se for usado um sinal pulsado de condução, Otimize seu ciclo de dever.
  9. Ajustar manualmente o ganho EDFA para reduzir (ou aumentar) a intensidade do pulso ao regime onde as propriedades dos fótons gerados são como desejado pelo usuário (o carro é uma métrica útil aqui - veja abaixo para obter detalhes sobre sua medição). Por isso, compare os histogramas de coincidência respectivos gerados pela interface visual que vem com o sistema eletrônico de cronometragem.
  10. Alimente o canal de sincronização de eletrônica de sincronismo com o sinal de trem de pulso (detectado pelo fotodiodo) ou o sinal de bloqueio de modo RF para sincronizar os detectores de fóton único com a geração de par de fótons.
  11. Para aumentar a taxa de geração das QFCs, dirigir o modulador de bloqueio de modo à maiores harmônicos de espaçamento de frequência a cavidade externa, enquanto aumentando simultaneamente o ganho EDFA para garantir a mesma energia por pulso — Isso mantém o fóton emparelhar o carro enquanto aumentar a taxa de produção de par (Figura 3). Por isso, aumente a frequência de saída de gerador de função e ganho EDFA respectivamente.

2. controle da frequência-bin High-dimensional enredada Estados

  1. Seguindo o esquema descrito na Figura 2 (estágio de controle), conecte todos os componentes, utilizando fibras de polarização-manutenção. A partir do filtro do entalhe no regime de geração, liga em série o primeiro filtro programável, modulador de fase e segundo filtro programável. Finalmente, ligar os detectores de fóton único, para fins de medição.
  2. Operação do filtro programável
    Nota: Dependendo da aplicação/medição específica sendo executada, os parâmetros de controle do QFC irão variar e as máscaras de fase e amplitude aplicadas para os modos de frequência devem ser determinadas em conformidade. A máscara de amplitude pode ser usada para atenuar ou bloquear determinados modos de frequência e a máscara de fase pode dar uma mudança de fase arbitrários em cada modo.
    1. Determine as máscaras necessárias para a aplicação desejada/medição.
    2. Através do filtro programável interface visual22, definir a amplitude dos canais modo frequência desejada e atenuar todas as outras.
    3. Da mesma forma, aplica a máscara de fase (fase aplicada para os canais indesejados é sem importância, como eles são inteiramente atenuados). Controle o filtro programável com uma interface visual, onde as frequências desejadas são selecionadas.
  3. Operação de modulação de fase
    1. Usando a modulação de fase, impulsionada por um sinal periódico, dividir cada componente espectral em faixas laterais-espaçadas pela frequência do gerador de sinal que está dirigindo o modulador de fase. Use isto para misturar vários modos de frequência quântica diferentes, análogos com divisores de feixe espaciais em esquemas de caminho-emaranhamento. No regime quântico, modulação de fase de electro-óptica é considerada um quantum dispersando operação23.
    2. Determinar os modos de frequência alvo (dependente de Equation 01 e a medição/transformação sendo executada) e calcular o padrão de tensão (frequência e amplitude para um gerador de onda senoidal) para otimizar o desejado Equation 10 valores (veja abaixo para alguns detalhes sobre isso).
    3. Ligue o gerador de sinal para o amplificador de RF usando cabos de baixa perda (tais como cabos SMC). Conecte a saída do amplificador de RF do modulador de fase, também usando os cabos de RF adequados. Uma vez que todos os fins de RF estão conectados e corretamente finalizado, viés do amplificador de RF.
    4. Certifique-se de que o amplificador de RF tem potência suficiente para conduzir o modulador de fase de electro-óptica com tensão suficiente para cumprir as condições de mistura desejadas — estas são da ordem de vários Equation 11 (a tensão de meia onda do modulador de fase). Além disso, certifique-se que os cabos de RF e conectores são adequados para a faixa de largura de banda e frequência do sinal de condução.
    5. Definir o gerador de sinal de RF (que está dirigindo o modulador de fase) em uma frequência que se sobrepõem os modos desejados com os lado-bandas criados (por exemplo., 33 GHz).
    6. Liga o gerador de sinal para misturar os modos de frequência.
    7. Para verificar que a modulação correta é aplicada, enviar um laser assemelhace através do modulador de fase e verifique se o espectro de saída corresponde à modulação pretendido utilizando um analisador de espectro óptico (os parâmetros de modulação podem ainda ser otimizado, ver notas).
      Nota: Otimizando a mistura de modos de frequência (determinar a frequência de funcionamento ideal e a amplitude) é altamente dependente do regime de misturando desejado, experimentar sendo executada e dimensionalidade do estado Equation 01 . Se possível, os esquemas de misturando devem misturar modos de perto o modo de frequência inicial (em bandas laterais de baixo-inteiro) para aumentar a eficiência da mistura. Por exemplo, se Equation 12 , a mistura é recomendada para ocorrer no meio do caminho entre os modos de duas frequências (assim, a modulação de fase deve ser conduzida em uma frequência que tem um número inteiro múltiplo igual à metade da frequência de modo quântico espaçamento ou livre faixa espectral (FSR)). No entanto, para Equation 13 , mistura é recomendado para ocorrer no modo de frequência de centro (fase modulação deve ser conduzida em uma frequência com um número inteiro múltiplo igual para o FSR). Por exemplo, com Equation 13 e microcavidade Equation 14 GHz, a modulação de fase, sinal de condução é definida como 33,33 GHz tal que a Equation 15 lateral sobrepõe-se com os modos de frequência vizinha - deixando também intensidade suficiente no centro modo de frequência. Isso resulta na sobreposição de bandas laterais vizinhas modos Equation 16 , Equation 17 e Equation 18 no modo de frequência centro Equation 17 . Figura 4a visualiza um exemplo do processo de modulação e os coeficientes de banda lateral. Cada modo de frequência sofre a mesma modulação de fase e cria a mesma distribuição de banda lateral, mas centrado sobre o modo de frequência original (figura 4a). Para um modo de frequência simples, as amplitudes de banda lateral são calculadas como os coeficientes de uma série de Fourier24,
      Equation 19
      onde Equation 10 é a amplitude, transferida para o Equation 20 lateral -th, Equation 21 é a frequência com que o modulador de fase é conduzido, Equation 22 é o padrão de modulação de fase (periódica com frequência Equation 21 ), e Equation 23 é o argumento da função de modulação periódica (Equation 24). Para um sinal senoidal de condução, Equation 25 , as amplitudes de faixa lateral são descritas pela expansão Jacobi-Anger,
      Equation 26
      Equation 27
      onde Equation 28 é o Equation 20 ordem -ésima função de Bessel do primeiro tipo avaliado em Equation 29 e Equation 30 é a mudança de fase máxima (onde Equation 31 é a amplitude da tensão do sinal de condução do Tom simples).

3. processamento da frequência-bin High-dimensional enredada Estados

  1. Espectro de fóton único
    1. Inserir um detector de fóton único após a filtragem do campo de excitação do QFC, na saída de um filtro programável.
    2. Através do software de computador filtro programável, varra a largura de banda do filtro completo programável usando uma máscara de amplitude de filtro passa-banda estreita, taxas de contagem de fótons de medição em função da frequência. Por exemplo, se um visual interface/controle script em MATLAB é usado (que é conectada com o controle de filtro programável e cronometragem eletrônica), insira os valores de largura de banda do filtro desejado e passo número e clique em "Executar". Certifique-se de tempo suficiente de integração para obter adequado fotão conta.
    3. Para reconstruir o espectro desses dados, plotagem (por exemplo, usando um script Matlab) as taxas de contagem de fótons contra o comprimento de onda correspondente (centro do filtro passa-banda) onde foram adquiridas.
  2. Medição de coincidência
    1. Para realizar uma medição de coincidência, dividir e rotear o sinal e fótons tensor para separar detectores de fóton único. Se o filtro programável tem várias portas, usá-lo para realizar a separação. Caso contrário, inserir uma comprimento de onda densa divisão multiplexador (DWDM) antes dos detectores de fóton único e usar isso para rotear os fótons.
    2. Selecione um sinal e tensor par (por exemplo, as linhas segunda ressonância em relação à frequência de excitação, sinal-2 e tensor-2) usando o programável do filtro (através da interface do software fornecido) e encaminhá-los aos dois detectores de fóton único separado. Por exemplo, para o software WaveManager, clique o Flexgrid sub-menu, clique em "Adicionar" e digite a porta de saída e o comprimento de onda para o canal escolhido22.
    3. Registrar o tempo de chegada do sinal e tensor fótons usando o conversor tempo-digital. Partir destas medições, calcule o tempo de atraso entre os dois fótons. Plotar um histograma (por exemplo, usando um script Matlab) coincidência conta um time-delay Equation 32 entre o sinal e tensor — isto fornece uma medida da coincidência.
      Nota: A métrica de carro compara o número de contagens de verdadeira coincidência de pares de fótons gerados com as contagens de coincidência acidental decorrentes de processos de fótons multi e contagens escuras.
    4. Desde a medição de computado-acima, registrar o número de contagens no pico do centro (coincidências decorrentes de fótons produzidos no mesmo pulso, centrado em torno do zero atraso, Equation 33 ) — que é o valor de coincidência.
    5. Gravar o número médio de contagens em cada lado do pico (coincidências de fótons produziram em diferentes pulsos, onde Equation 32 é um múltiplo do pulso treinar muito tempo, i. e., o inverso da taxa de repetição de pulso), que é o valor acidental.
      Nota: O carro é simplesmente a relação entre esses dois valores (valor de valor/acidental coincidência).
  3. Reconstrução de matriz densidade
    Nota: O processo de reconstrução de matriz densidade depende de vários parâmetros do estado quântico: a dimensionalidade dos fótons, o número de fótons, e quais modos estão sendo medidos. O número de medições crus necessário é igual aEquation 34, ondeEquation 01é a dimensionalidade eEquation 35é o número de fótons. Assim, por exemplo, um par de dois fotões com uma dimensionalidade dosEquation 13exigirá 81 medições. Este protocolo irá delinear o processo geral para a reconstrução da matriz densidade, com exemplos para um par deEquation 13fótons de modo de frequência.
    1. Determine um conjunto de vetores de base para o estado desejado e um conjunto de vetores de projeção (veja abaixo para obter detalhes sobre como escolher adequadamente estas).
    2. Com uma medição de coincidência, use ou um filtro programável ou um sinal de rota DWDM e fótons tensor para separar detectores de fóton único.
    3. Através do controle de software de filtro programável, selecione os modos de frequência desejada e atenuar todas as outras. Defina a fase valores de máscara para realizar cada vetor de onda de projeção individualmente e gravar uma medição de coincidência. É importante permitir que o mesmo tempo de integração entre projeção diferentes contagens de coincidência.
    4. Usando um script personalizado computador, calcule a matriz de densidade dos fótons usando as medidas de contagem crua coincidência de cada vetor de onda de projeção (veja abaixo para detalhes relevantes computacionais).
      Nota: Ao determinar os vetores de base para a medição de matriz de densidade, eles devem abrangem o espaço do estado. Para o caso de exemplo, são os vetores de base
      Equation 36
      Para um estado Equation 37 , a matriz de densidade descreve o estado quântico,
      Equation 38
      A matriz de densidade para qualquer sistema físico real deve ser uma matriz definida positiva e Hermitiana - mas devido ao ruído, isto pode nem sempre ser o caso. No caso de exemplo, com a base escolhida, o vetor de onda para o estado ideal màxima emaranhados de frequência pode ser representada como
      Equation 39
      e assim, a matriz de densidade teórica seria:
      Equation 40
      São efectuadas medições de projeção de uma série de projeção wavevectors, Equation 41 . Coincidência de contagens para cada projeção são dadas como,
      Equation 42
      onde Equation 43 é uma constante (veja definição abaixo).
    5. Escolher um conjunto ortogonal de Equation 44 , normalizado matrizes, Equation 45 , tal que
      Equation 46
      onde Equation 47 é o traço, Equation 01 é a dimensão, Equation 35 é o número de fótons, e Equation 48 é a função delta de Kronecker. Estas matrizes podem ser construídos usando o especial unitário SU (Equation 01) geradores (das quais existem Equation 49 ), juntamente com a matriz de identidade, através de todos os possíveis tensor produto combinações25. Veja abaixo as matrizes ortogonais do caso exemplo.
    6. Reconstruir a matriz de densidade, Equation 50 , via as seguintes relações,
      Equation 51
      Equation 52
      Equation 53
      Equation 54
      onde Equation 55 é o fóton conta para o Equation 56 vetor de projeção -th, Equation 57 são os vectores de projeção (ver próximo passo), onde Equation 58 e Equation 59 são calculados de acordo com a definição da equação.
      Nota: São wavevectors de projeção para o caso de exemplo,
      Equation 60Equation 61
      Equation 62
      Equation 63
      Equation 64
      Equation 65
      Equation 66
      Equation 67
      Equation 68
      Experimentalmente, estes wavevectors são realizados por transmitir a mudança de fase apropriada em cada modo através do filtro programável. Referem-se a anterior publicação25 para discussão sobre vetores de projeção. O conjunto ortogonal de matrizes, Equation 69 exemplo de caso são escolhidos primeiro usando os geradores SU(3) junto com a matriz de identidade,
      Equation 70
      Equation 71
      Equation 72
      Equation 73
      Equation 74
      Equation 75
      Equation 76
      Equation 77
      Equation 78
      e são computados como,
      Equation 79
    7. Para uma discussão mais aprofundada da reconstrução do estado alta dimensão, consulte referência 25 25.

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Representative Results

O esquema descrito para a geração e o controle dos Estados de frequência alta dimensão-bin (baseado na excitação de microcavidades não-lineares, Figura 1) é mostrado na Figura 2. Esta configuração usa componentes de telecomunicações padrão e é altamente flexível, a taxa de produção de fótons e as operações de processamento aplicadas. A Figura 3 mostra a caracterização do regime de geração através da taxa de coincidência e carro como função da taxa de repetição, demonstrando que a produção de pares de fótons pode ser aumentada sem diminuir o carro. Na seção de controle, filtros programáveis e moduladores de fase (Figura 4A) permitem o controle coerente de comprimentos o fóton. Tal uma esquema de controle é usada para realizar tomografia computadorizada de estado quântico de um Equation 13 , sistema de dois fotões para reconstruir a matriz de densidade do estado, conforme mostrado na Figura 4B. Os resultados demonstram excelente acordo entre os Estados medidos e màxima emaranhados, com uma fidelidade alcançada de 80,9%.

Figure 1
Figura 1: geração de pente de frequência quântica pulsado. Um campo pulsado excita uma ressonância única de microcavidade não-linear (verde). Mistura de quatro ondas espontânea Medeia a aniquilação de dois fótons da excitação espectral-modalidade e a geração de dois fótons de filha, chamado sinal e tensor (vermelho e azul), espectralmente simétrica para a excitação. O par de fótons é também uma superposição quântica de modos de frequência definida por ressonâncias, tal que no eigenbasis definido pelo Estado hamiltoniano, a função de onda é representada por uma soma normalizada dos autovectores de frequência-modo simétrico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: plataforma para controle e geração de alta dimensão prática quantum estado. O ressonador de microanel26,27 é incorporado em uma cavidade maior, externa. Esta cavidade externa compreende um modulador de amplitude ativa de electro-óptico guiado por um gerador de sinais, um componente de ganho óptico e um filtro passa-banda estreita, com o último limitando o pulso de excitação circulando um pass-faixa correspondente a um único microcavidade ressonância. Pentes de frequência quântica gerados através deste esquema (Figura 1) são filtrados do campo de excitação e passam para a fase de controle através de um filtro de entalhe. Aqui, uma concatenação de filtros programáveis e moduladores de fase electro-óptica (impulsionados por um sinal amplificado de um gerador de sinal de RF) pode ser usada para manipular o estado. Na fase de processamento, o tensor e sinal de fótons são roteados para separar detectores de fóton único, usando um DWDM, e o tempo de atraso é medido utilizando a eletrônica de sincronismo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: A taxa de coincidência medido (topo) e a relação de coincidência-para-acidental (carro) (inferior) para pares de fóton correspondente para os modos de frequência do sinal-2 e tensor-2 em função da crescente taxa de repetência para harmonicamente bloqueado modo pulsado excitação. Como os poderes de forma e pico de pulso foram mantidos por diferentes de repetência, a taxa de coincidência foi encontrada crescer linearmente enquanto o carro foi em grande parte preservada. A ligeira redução no carro e sua diminuição linear imperfeita é imputável aos pequenos desvios do poder alvo de excitação. As barras de erro correspondem o desvio-padrão calculado para cinco medições. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: A geração de bandas laterais através de modulação de fase de electro-óptica (topo) e reconstrução de matriz de densidade de exemplo para D = 3 (inferior). (um) frequência banda lateral geração por um modulador de electro-óptica em função da frequência Equation 80 , com faixas laterais-espaçadas pela frequência do sinal de modulação, Equation 81 . FSR: exemplo livre faixa espectral de um ressonador de microanel. (b), reconstrução de matriz densidade Experimental de um D = 3 estado de dois fotões de frequência-bin enredado (reais e imaginários de peças à esquerda e à direita, respectivamente). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

O domínio de frequência óptico, através de QFCs, é vantajoso em aplicações quântico para uma série de razões. As operações são globais, atuando em todos os Estados simultaneamente, que resulta em um projeto que não se adapta em tamanho ou complexidade como os aumentos de dimensionalidade do estado. Isto é realçado como os componentes podem ser reconfigurada on-the-fly sem alterar a configuração e são capazes de ser integrado no chip explorando existentes e/ou desenvolvimento de infra-estruturas de telecomunicações e de semicondutores. As técnicas de geração também poderiam ser adoptadas para outras cavidades-micro ópticas — tais como de segunda ordem não linear microcavidades28microdiscos29, guias de cristal fotônico30,31, etc.

Avanços no regime de excitação irão pavimentar o caminho para taxas de alta produção, necessários para aplicativos de processamento de informação quântica. Enquanto a taxa de produção de nosso esquema de geração pode ser aumentada em modo de bloqueio em altas frequências harmônicas, ruído supermode pode causar instabilidades nestas taxas mais elevadas de repetição. Supressão deste ruído poderia ser conseguido com técnicas como a cavidade comprimento modulação32,33, compensação não-linear34e35,de técnicas de filtragem alta-fineza supermode36.

Melhorias no sistema irão resultar em taxas de produção de fótons ainda maiores. O total de perdas para a parte de controle foi 14,5 dB (1 dB para o filtro entalhe, 4,5 dB para o primeiro filtro programável, 3,5 dB para o modulador de fase e 4,5 dB para o segundo filtro programável). Taxas de produção poderiam ser aumentada muitos dobra através de reduções realizáveis em perdas – com uma melhoria prontamente disponível de 5 dB, integrando muitos dos componentes utilizados na instalação em um único chip óptico compacto, baixo-perda controle.

Melhorar o controlo da frequência-modalidade mistura através da criação de faixa lateral melhor direcionada fornecerá portões mais eficientes e maiores taxas de produção. Como a dispersão de probabilidade depende a modulação condução sinal (padrão, frequência e amplitude) e especificações do modulador de electro-óptico, estes devem ser no Reino se sobrepõem efetivamente modos (gerar faixas laterais) com a mistura desejada as frequências — que exigem velocidades de sinal RF (GHz), amplificadores de tensão de estado-da-arte e baixa Equation 11 fase moduladores.

Filtros programáveis atuais se limita a largura de banda espectral e resolução; o equipamento utilizado nas manifestações originais tinha uma largura de banda de 1527.4 nm a 1567.5 nm e uma resolução de 12.5 GHz. Com um microanel FSR de 200 GHz, este filtro programável fornece acesso ao sinal 10 e 10 frequências mais inativa. A dimensionalidade dos Estados Quânticos poderia facilmente atingir valores acima de Equation 82 (correspondente a até 14 qubits) com avanços na largura de banda do filtro programável/resolução e cavidade óptica FSR — tudo isso sem aumentar a pegada da instalação do .

Com a plataforma QFC descrita aqui, demonstramos a geração e o controle do complexos estados quânticos de forma compacta, reconfigurável e prático . Os destaques de nossos esquemas são a capacidade para taxas de alta geração de fótons simples puros e operação global em todos os Estados-Membros com componentes simples, permitindo escalabilidade em forma de chips fotônicos produzidos em massa, de baixo custo, integradas e acessível componentes de telecomunicações. Usando esta plataforma QFC, passos significativos são feitos no sentido de tecnologias de processamento de informação quântica. Comunicação quântica com altas taxas é realizável com canais multiplexados, permitindo que informações seguras de transferência em taxas muito eficientes, enquanto computação quântica elevado-dimensional é um campo de desenvolvimento que poderia ajudar a superar as limitações do qubit-baseado computação,37.

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Acknowledgments

Agradecemos Helsten R. conhecimentos técnicos; P. Kung de QPS Photronics pela ajuda e equipamento de processamento; assim como QuantumOpus e s. Bertone de componentes OptoElectronics pelo apoio e por nos fornecer equipamento de detecção de fótons de estado-da-arte. Este trabalho foi feito possível pelas seguintes fontes de financiamento: Ciências naturais e engenharia pesquisa Conselho de Canadá (NSERC) (Steacie, estratégico, descoberta e aceleração esquemas de subsídios, Vanier Canadá bolsas de pós-graduação, bolsa USRA); Mitacs (IT06530) e PBEEE (207748); MESI PSR-SIIRI iniciativa; Programa de cadeira de pesquisa em Canadá; Projetos de descoberta Conselho australiano de pesquisa (DP150104327); Da União Europeia Horizonte 2020 programa de pesquisa e inovação sob o Marie Sklodowska-Curie concedem (656607); Programa CityU SRG-Fd (7004189); Programa de pesquisa prioridade estratégica da Academia Chinesa de Ciências (XDB24030300); Programa de pessoas (acções Marie Curie) do programa de FP7 da União Europeia no âmbito do acordo de concessão REA INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Governo da Federação da Rússia, através da comunhão ITMO e programa cátedra (Grant 01 074-U); 1000 talentos programa de Sichuan (China)

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Superconducting Nanowire Single-Photon Detector System Quantum Opus Opus One
Electro-optic phase modulator EO-Space Low loss model
Programmable filter Finisar  WaveShaper 4000s
Timing electronics PicoQuant HydraHarp 400
Micro-ring resonator 200 GHz FSR micro-ring resonator made from high refractive index glass. See Ref. 24 for platform details.
Erbium-doped fiber amplifier Keopsys PEFA-SP-C-PM-27-B202-FA-FA
Electro-optic amplitude modulator Oclaro  SD40
RF tone source Rohde & Schwarz SMP 04
RF tone amplifier RF-Lambda RFLUPA27G34GA
Function generator Tetronix AFG 3251
Isolator General Photonics NISO-S-15-SS-FC/APF
Oscilloscope Tetronix  TDS5052B
Photodiode Finisar XPDV 50 GHz
DWDM OptiWorks DWFUQUMD08BN
Power supply Madell CA18303D

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References

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Engenharia edição 136 óptica quântica integrado a dispositivos fotônicos lasers de modo bloqueado óptica não-linear mistura de quatro ondas pentes de frequência Estados de alta dimensão
Geração e controle coerente de pentes de frequência pulsada Quantum
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